Thermo-fluiddynamisches Framework zur probabilistischen Auslegung von Gasturbinen (OptiSysKom AP 3.2b)
| Projektleiter: | Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach |
| Bearbeiter: | Dipl.-Ing. Marius Stricker |
| Wissenschaftliche Zusammenarbeit: | AG Turbo |
| Finanzierung: | BMWK |
| Laufzeit: | 08/2020 - 07/2023 |
Beschreibung:
An der Professur wird das Arbeitspaket 3.2b „Thermo-fluiddynamisches Framework zur probabilistischen Auslegung von Gasturbinen“ des Verbundvorhabens „Optimierung der Prozesse und Systeme sowie der Lebensdauer der Gesamtanlagen und ihrer Komponenten (OptiSysKom)“ bearbeitet.
Stationäre Gasturbinen werden deutlich häufiger in transienter Wechsellast und in Teillast betrieben. Dies hat neben den Auswirkungen auf die bestehenden Gasturbinen auch Einfluss auf die Entwicklung neuer Gasturbinen und auf deren Wartungspläne. In das Zentrum der Aufmerksamkeit rückt von Seiten der Hersteller ein robuster Betrieb mit hohem Wirkungsgrad in einem weiten Lastbereich.
Das Hauptaugenmerk liegt in diesem Arbeitspaket auf der probabilistischen Untersuchung des Sekundärluftsystems, welches durch Kühlung, Dichtung/Aussperrung und Steuerung der Axiallasten einen wichtigen Beitrag zum Wirkungsgrad und zum zuverlässigen Betrieb beiträgt.
Abbildung 1: Auschnitt eines exemplarischen SLS
Wie sich aus Abbildung 1 erahnen lässt, handelt es sich dabei um ein komplexes Teilsystem, in dem Einfluss auf die Streuung der Ergebnisgrößen oftmals nicht vollumfänglich ersichtlich ist.
Dabei kann die Probabilistik einen wertvollen Beitrag leisten. Probabilistische Methoden ermöglichen es, Unsicherheiten bei der Berechnung des Lebensdauerverbrauchs direkt einfließen zu lassen. Somit können die bisher genutzten Sicherheitsfaktoren überprüft oder sogar abgeschafft werden. Eventuell vorhandene Konservativitäten können so identifiziert und zu Gunsten einer flexibleren Fahrweise aufgegeben werden. Damit ist eine optimale Materialausnutzung und Maschinenauslastung gewährleistet. Gleichermaßen können die aus probabilistischen Analysen entstehenden Daten zur effizienten Bestimmung wichtiger Einflussgrößen oder für Designempfehlungen genutzt werden. Damit lässt sich zusätzlich der Auslegungsprozess effizienter gestalten und die vorliegenden Informationen ergiebiger nutzen. Aufgrund der notwendigen Flexibilisierung der Turbomaschinen ist es ein Fokuspunkt für das hier beantragte Vorhaben, Verfahren aus der Probabilistik bzw. Stochastik zur Beschreibung von Unsicherheiten des Kühlluftsystems von Gasturbinen zu quantifizieren und diese Verfahren anwendbar und industrietauglich zu machen. Die resultierenden zeitabhängigen Erkenntnisse werden maßgeblich zum besseren Verständnis und zur Robustheitseinschätzung der Maschine bei stark schwankenden Belastungen beitragen. Neben der Entwicklung bzw. Anwendung geeigneter Methoden aus dem Bereich der Probabilistik steht ebenfalls die Adaption und Applikation der Verfahren auf eine ingenieurtechnische Problemstellung im Vordergrund. Konkret ist die robuste Sperrung der Kavitäten gegen Heißgaseinzug und die Sensitivität der Kühlluftversorgung von Lauf- und Leitschaufeln der Turbine sowie deren Auswirkung auf die Bauteiltemperaturen und -spannungen von Interesse. Die Zielsetzung des Teilvorhabens 3.2b ist daher der Aufbau eines Workflows zur Ausführung probabilistischer Untersuchungen auf Basis der bereitgestellten Toolkette aus einem in-House-Sekundärluftsystem-Löser und Ansys Mechanical. Zudem steht die Entwicklung von Methoden im Fokus, um Effekte einer großen Anzahl von Eingangsparametern effizient in begrenzter Anzahl von Auswertung zu erfassen und für weitere Anwendungen zu verwerten.
Industriepartner: MAN Energy Solutions SE
